Tunelski mikroskop: povijest stvaranja, uređaj i princip rada

Tunelski mikroskop izuzetno je moćan alat za proučavanje elektroničke strukture čvrstih sustava. Njegove topografske slike pomažu u primjeni tehnika površinske analize s kemijskom specifičnošću, što dovodi do strukturne definicije površine. O uređaju, funkcijama i značenju možete saznati, kao i vidjeti fotografiju tunelskog mikroskopa u ovom članku.

Kreatori

Prije izuma sličnog mikroskopa, mogućnosti proučavanja atomske strukture površina uglavnom su bile ograničene difrakcijskim tehnikama pomoću rendgenskih zraka, elektrona, iona i drugih čestica. Do proboja je došlo kada su švicarski fizičari Gerd Binnig i Heinrich Rohrer razvili prvi tunelski mikroskop. Odabrali su zlatnu površinu za svoju prvu sliku. Kad je slika prikazana na ekranu televizijskog monitora, vidjeli su redove precizno raspoređenih atoma i promatrali široke terase odvojene stepenicama visokim jednim atomom. Binnig i Rohrer otkrili su jednostavnu metodu za stvaranje izravne slike atomske strukture površina. Njihovo impresivno postignuće prepoznato je Nobelovom nagradom za fiziku 1986. godine.

Prethodnik

Sličan mikroskop nazvan Aasipino izumio je Russell Mladi i njegovi kolege između 1965. i 1971. u Nacionalnom uredu za standarde. Trenutno je Nacionalni institut za standarde i tehnologiju. Ovaj mikroskop radi na principu da lijevi i desni piezo upravljački programi skeniraju vrh iznad i malo iznad površine uzorka. Središnjim piezo-upravljanim poslužiteljskim pogonom upravlja poslužiteljski sustav za održavanje konstantnog napona. To rezultira trajnim vertikalnim odvajanjem između vrha i površine. Elektronički multiplikator detektira mali dio tunelske struje koja se raspršuje na površini uzorka.

Shematski prikaz

Uređaj tunelskog mikroskopa uključuje sljedeće komponente:

• savjet za skeniranje;
• kontroler za pomicanje vrha s jedne koordinate na drugu;
• sustav izolacije vibracija;
• računalo.

Vrh je često izrađen od volframa ili platine-iridija, iako se koristi i zlato. Računalo se koristi za poboljšanje slike obradom i za kvantitativno mjerenje.

Kako djeluje

Princip rada tunelskog mikroskopa prilično je složen. Elektroni na vrhu vrha nisu ograničeni na područje unutar metala potencijalnom barijerom. Oni se kreću kroz prepreku slično njihovom kretanju u metalu. Stvara se iluzija čestica koje se slobodno kreću. U stvarnosti, elektroni se kreću od atoma do atoma prolazeći kroz potencijalnu barijeru između dva atomska mjesta. Za svaki pristup barijeri vjerojatnost tuneliranja je 10:4. Elektroni ga prelaze brzinom od 1013 kom u sekundi. Ova visoka brzina prijenosa znači da je kretanje značajno i kontinuirano.

Pomicanjem vrha metala preko površine na vrlo malu udaljenost koja prekriva atomske oblake proizvodi se atomska razmjena. To stvara malu količinu električne struje koja teče između vrha i površine. Može se mjeriti. Kroz ove trenutne promjene tunelski mikroskop pruža informacije o strukturi i topografiji površine. Na temelju njega izgrađen je trodimenzionalni model na atomskoj skali, koji daje sliku uzorka.

Tuneliranje

Kad se vrh pomakne blizu uzorka, udaljenost između njega i površine smanjuje se na veličinu usporedivu s razmakom između susjednih atoma u rešetki. Tunelski elektron može se kretati prema njima ili prema atomu na vrhu sonde. Struja u sondi mjeri gustoću elektrona na površini uzorka, a te se informacije prikazuju na slici. Periodični niz atoma jasno je vidljiv na materijalima kao što su zlato, platina, srebro, nikal i bakar. Vakuumsko tuneliranje elektrona od vrha do uzorka može se dogoditi iako okoliš nije je vakuum i ispunjen molekulama plin ili tekućine.

Formiranje visine barijere

Spektroskopija visine lokalne barijere pruža informacije o prostornoj raspodjeli mikroskopske funkcije površinskog rada. Slika se dobiva mjerenjem točke po točku logaritamske promjene tunelske struje, uzimajući u obzir transformaciju u razdjelni jaz. Pri mjerenju visine barijere, udaljenost između sonde i uzorka modulira se prema sinusnom zakonu dodatnim izmjeničnim naponom. Razdoblje modulacije odabrano je mnogo kraće od vremenske konstante povratne petlje u tunelskom mikroskopu.

Vrijednost

Ova vrsta mikroskopa sonde za skeniranje omogućila je razvoj nanotehnologije koja bi trebala manipulirati objektima nanometrijske veličine (manje od valne duljine vidljive svjetlosti od 400 do 800 nm). Tunelski mikroskop jasno ilustrira kvantnu mehaniku mjerenjem kvanta ljuske. Danas se amorfni nekristalni materijali promatraju mikroskopijom atomske sile.

Primjer na siliciju

Površine silicija proučavane su šire od bilo kojeg drugog materijala. Pripremljeni su zagrijavanjem u vakuumu na takvu temperaturu da su atomi rekonstruirani u induciranom procesu. Rekonstrukcija je proučavana do najsitnijih detalja. Na površini se razvio složeni uzorak poznat kao Takajanagi 7 do 7. Atomi su formirali parove, ili dimere, koji su se uklopili u redove koji se protežu kroz dio silicija koji se proučava.

Studije

Studije principa rada tunelskog mikroskopa dovele su do zaključka da on može raditi u okolnoj atmosferi na isti način kao i u vakuumu. Djelovao je u zraku, vodi, izolacijskim tekućinama i ionskim rezolucijama koje se koriste u elektrokemiji. Mnogo je praktičniji od uređaja s visokim vakuumom.

Tunelski mikroskop može se ohladiti na temperaturu od minus 269 asa i zagrijati na plus 700 asa. Niska temperatura koristi se za ispitivanje svojstava supravodljivih materijala, a visoka za proučavanje brze difuzije atoma kroz površinu metala i njihove korozije.

Tunelski mikroskop koristi se u uglavnom za vizualizacije, ali ima ih mnogo ostale primjene koje su proučavane. Snažno električno polje između sonde i uzorka korišteno je za pomicanje atoma duž površine uzorka. Proučavano djelovanje tunelskog mikroskopa u različitim plinovima. U jednoj studiji napon je bio četiri volta. Polje na vrhu bilo je dovoljno jako da ukloni atome s vrha i stavi ih na podlogu. Ovaj postupak je korišten sa zlatnom sondom za proizvodnju malih zlatnih otoka na podlozi s nekoliko stotina atoma zlata u svakom. Tijekom istraživanja izumljen je hibridni tunelski mikroskop. Izvorni uređaj integriran je s bipotencijostatom.